針對(duì)船舶與核工業(yè)高溫耐蝕服役需求的Ti31鈦合金增材制造粉末定制化研究：深度剖析無坩堝EIGA高壓氣流破碎與PREP高速離心霧化熱流體動(dòng)力學(xué)差異對(duì)粉末粒徑級(jí)配、表面氧化及內(nèi)部氣孔的決定性作用

增材制造技術(shù)是一種通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將材料逐層堆積制備零部件的先進(jìn)制造技術(shù)[1]，該技術(shù)的核心特點(diǎn)為數(shù)字化驅(qū)動(dòng)、設(shè)計(jì)自由度高，能夠突破傳統(tǒng)減材及等材制造方式的局限，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的一體化成形，無需定制模具，簡化了制造流程，縮短了設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期，具有較高的材料利用率，降低了制造成本和風(fēng)險(xiǎn)[2]。

金屬零件增材制造中，原材料粉末的性能是影響打印零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。高球形度、良好流動(dòng)性、高純凈度、低空心粉率等粉末特性，是增材制造用鈦合金粉末的重要技術(shù)指標(biāo)[3-5]。現(xiàn)階段，鈦合金粉末的制備方法[6-8]主要為電極感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化技術(shù)(electrode induction gas atomization, EIGA)及等離子旋轉(zhuǎn)電極離心霧化技術(shù)(plasma rotating electrode process, PREP)，在制粉過程中不使用坩堝裝盛合金電極棒，有效避免了坩堝與熔體發(fā)生反應(yīng)，因而能夠降低粉末中N、H、O等雜質(zhì)元素含量。兩種霧化制粉方法在原理上存在差異，EIGA使用高頻感應(yīng)線圈加熱合金電極棒，電極棒前端熔化后形成的熔滴落入霧化室，在高速高壓霧化氣流的沖擊作用下，破碎霧化成不同尺寸的金屬液滴，隨后凝固為金屬粉末[9-10]；PREP使用等離子槍將高速旋轉(zhuǎn)的合金電極棒末端熔化，熔體在離心力作用下旋轉(zhuǎn)甩出，在熔體的表面張力作用下，破碎霧化成細(xì)小的球狀液滴，并在惰性氣體冷卻介質(zhì)中凝固成球形粉末[11]。

迄今，國內(nèi)外關(guān)于鈦合金粉末制備及打印試樣性能的研究主要集中于TC4合金及TA15合金等增材制造常用鈦合金，例如，Guo等[12]驗(yàn)證了EIGA制備的TC4合金粉末性能良好，適用于3D打印；蔣保林等[13]研究了霧化制粉參數(shù)對(duì)TA15合金粉末性能的影響規(guī)律，獲得了最優(yōu)的霧化氣體壓力及熔煉功率。Ti31鈦合金是一種耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆的Ti-Al-Mo-Ni系近α型鈦合金，主要應(yīng)用于船舶、核工業(yè)等領(lǐng)域300~400 ℃高溫環(huán)境下的熱交換器、泵體、管座等部件，現(xiàn)階段應(yīng)用形式主要為鍛件、板材、管材，對(duì)于Ti31鈦合金粉末制備及其打印試樣性能的研究報(bào)道較少。

本文采用EIGA及PREP制備了Ti31粉末，并對(duì)粉末性能進(jìn)行了分析。此外，對(duì)選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)技術(shù)打印的Ti31試樣性能進(jìn)行了研究，并與鍛件指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，為激光增材制造Ti31合金的研究提供參考。

1、試驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

粉末制備分別采用EIGA法和PREP法，EIGA法采用的合金棒料直徑為45 mm，長度為760 mm；PREP法采用的合金棒料直徑為50 mm，長度為700 mm。

基于TC4與TA15合金粉末制備工藝基礎(chǔ)，根據(jù)Ti31合金成分對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，確定的Ti31粉末制備參數(shù)如表1和表2所示。EIGA法使用的制粉設(shè)備為EIGA-50，PREP法使用的制粉設(shè)備為PREP-30000。

表1 EIGA制粉工藝參數(shù)

表2 PREP制粉工藝參數(shù)

采用振動(dòng)篩分法對(duì)制得的粉末在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行粒度分級(jí)，篩分后獲得粒徑為15~53 μm的Ti31粉末。采用選區(qū)激光熔化(SLM)制備Ti31試樣，SLM設(shè)備為MT-450，打印基板為TC4鈦合金，打印前對(duì)基板表面進(jìn)行清洗、干燥。工藝參數(shù)如表3所示。成形掃描策略為帶狀掃描，相鄰層間旋轉(zhuǎn)67°，掃描策略示意圖如圖1所示，z軸方向?yàn)槌尚畏较颉i31打印試樣經(jīng)過固溶處理，工藝為800 ℃保溫2 h后空冷至室溫。

表3 SLM制備Ti31試樣工藝參數(shù)

1.2 測試方法

采用FEI Verios 460掃描電子顯微鏡(SEM)表征Ti31粉末的形貌；采用Leica DMI 8C金相顯微鏡檢測粉末的空心粉率；采用Master sizer 3000激光粒度分析儀、Winner 99E顆粒圖像測試儀、BT-200霍爾流速計(jì)、BT-101/102多功能粉末物性測試儀測試粉末的粒徑分布、球形度、流動(dòng)性、松裝密度和振實(shí)密度；采用Plasma 2000電感耦合等離子體原子發(fā)射儀、CS-2000碳硫分析儀、ONH-3000氧氮?dú)浞治鰞x檢測粉末的化學(xué)成分；采用Advance型X射線衍射儀(XRD)對(duì)Ti31合金粉末進(jìn)行物相分析。

對(duì)SLM打印試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，所采用的檢測設(shè)備與粉末化學(xué)成分的檢測設(shè)備一致；采用金相顯微鏡觀察Ti31試樣的成形質(zhì)量，樣品取自x-y截面，拋光至鏡面后觀察有無氣孔、未熔合、裂紋等缺陷。采用美斯特E45.105萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)熱處理后的Ti31打印試樣開展室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸試樣取自x成形方向，測試參照GB/T 228.1—2021，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

2、結(jié)果與討論

2.1 Ti31鈦合金粉末形貌

采用EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末形貌如圖3所示，兩種方法制得的粉末主要呈球狀，EIGA法制備的粉末中存在團(tuán)聚現(xiàn)象，且存在少量不規(guī)則的衛(wèi)星粉末，而PREP法制備粉末表面更加光滑且球形度更高。粉末形貌的差異主要是由于霧化原理不同，EIGA制粉過程中，熔滴的凝固速率受熔滴尺寸影響，尺寸較小的熔滴優(yōu)先凝固，尺寸較大的熔滴在凝固過程中受到惰性氣流沖擊，與已凝固的小尺寸顆粒發(fā)生碰撞，局部粘連形成類似衛(wèi)星狀的粉末，故而粉末形貌較差[14]。PREP制粉過程中，熔化的局部熔體受到高速旋轉(zhuǎn)而被直接甩出，形成細(xì)小熔滴，熔滴在甩出過程中運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)律，具有形成球體的趨勢，且熔滴之間不受氣體流場影響，故而粉末球形度較高[15]。

2.2 Ti31鈦合金粉末基礎(chǔ)性能

將EIGA與PREP制得的Ti31粉末在惰性氣體保護(hù)中進(jìn)行篩分，得到粒徑在15~53 μm范圍內(nèi)粉末，分析粉末的粒徑分布，結(jié)果如表4所示。相比PREP粉末，EIGA粉末中值粒度D??更小，其D??、D??均更細(xì)，說明EIGA工藝更利于制備細(xì)粉。

表4 Ti31粉末粒徑分布　μm

EIGA粉末中空心粉率較高，是由于在EIGA制粉過程中，高壓氣體因沖擊金屬熔滴而卷入到熔滴內(nèi)部，細(xì)小的熔滴快速凝固，使得氣體未及時(shí)逸出，最終以氣孔的形式滯留于冷卻成形的粉末內(nèi)，形成空心粉[17]。而在PREP制粉過程中，氬氣作為保護(hù)氣體和冷卻氣體，卷入到熔滴內(nèi)部的概率較低，且熔滴凝固速度相對(duì)較慢，氣體在粉末冷卻前有較充足的時(shí)間得以逸出，因而空心粉較少。

采用EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末球形度、流動(dòng)性、空心粉率、松裝密度、振實(shí)密度等性能如表5所示。相比于EIGA粉末，PREP粉末具有更好的流動(dòng)性，兩種粉末松裝密度差異不大。粉末的流動(dòng)性很大程度取決于粉末形貌，通常，粉末球形度越高，其流動(dòng)性越好，更有利于在SLM成形過程中均勻鋪粉[16]。而球形度較低的粉末則流動(dòng)性較差，導(dǎo)致鋪粉不均勻，影響打印試樣的成形質(zhì)量。

表5 Ti31粉末性能

2.3 Ti31鈦合金粉末成分

采用EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末化學(xué)成分如表6所示，兩種方法制得的粉末N、H、O含量均較低，屬于潔凈制粉[18]。EIGA粉末中O含量比PREP更高，原因主要有兩方面，一是制粉過程中，Ti31合金為熔融狀態(tài)，O通常以原子或離子形式存在，EIGA粉末因具有更小的粒徑而具有較大的表面積，與霧化氣體中殘余的氧接觸反應(yīng)更充分，導(dǎo)致粉末中O含量增加更多。二是在PREP制粉過程中，霧化氣體僅作為保護(hù)氣體及冷卻氣體，而在EIGA制粉過程中，霧化氣體因沖擊金屬熔滴而與熔滴充分接觸，引入更多氧氣，導(dǎo)致EIGA粉末中氧含量更高。

表6 Ti31粉末化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

2.4 Ti31鈦合金粉末物相

通過X射線衍射(XRD)分析對(duì)比EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末物相組成，結(jié)果如圖4所示。兩種方法制備的Ti31粉末中的相結(jié)構(gòu)主要為α-Ti密排六方晶體結(jié)構(gòu)，無顯著差異，即制粉方法不改變Ti31粉末的物相組成。

2.5 SLM打印Ti31試樣化學(xué)成分

采用SLM制備Ti31試樣，并對(duì)兩種粉末所制備試樣的化學(xué)成分進(jìn)行分析，如表7所示。與表6中粉末化學(xué)成分對(duì)比，SLM試樣中，各合金元素成分輕微波動(dòng)，均滿足Ti31鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)成分要求(見表6)。相比于Ti31粉末的化學(xué)成分，Ti31打印試樣中的O含量有所增加，主要原因是即使在惰性氣體(氬氣，體積分?jǐn)?shù)大于等于99.999%)中成形，SLM過程中激光瞬間熔化粉末形成極高溫熔池，與周圍微量的氧氣發(fā)生反應(yīng)形成氧化物。

表7 SLM打印Ti31試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

2.6 SLM打印Ti31試樣成形形貌

通過金相顯微鏡觀察Ti31試樣的成形質(zhì)量，如圖5所示，EIGA粉末及PREP粉末與SLM工藝具有良好的適配性，SLM-EIGA與SLM-PREP Ti31試樣中存在少量微孔洞，但尺寸均小于30 μm，且未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷，打印試樣的整體致密度較高，具有較好的成形質(zhì)量。

2.7 SLM打印Ti31試樣室溫拉伸性能

采用EIGA法及PREP法制備的Ti31粉末，通過SLM方法制備Ti31打印試樣。對(duì)試樣開展室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。兩種Ti31試樣拉伸性能均達(dá)到Ti31鍛件指標(biāo)。EIGA粉末制成的試樣具有更高的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度，PREP粉末制成的試樣具有更優(yōu)異的斷后伸長率及斷面收縮率。

3、結(jié)論

(1) EIGA法與PREP法制備的Ti31粉末N、H、O等非金屬元素含量較低，滿足設(shè)計(jì)要求；

(2) PREP法制得的Ti31粉末比EIGA粉末球形度更高，流動(dòng)性更好，空心粉率更低；

(3) EIGA法與PREP法制備的Ti31粉末主要物相均為α-Ti密排六方晶體結(jié)構(gòu)；

(4) 以EIGA法與PREP法制備的Ti31粉末，開展SLM增材試驗(yàn)，所制得的Ti31打印試樣室溫拉伸性能均滿足Ti31鍛件性能指標(biāo)，驗(yàn)證了Ti31粉末與SLM工藝的良好適配性。EIGA試樣具有更高的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度，PREP試樣具有更優(yōu)異的斷后伸長率與斷面收縮率。

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（注，原文標(biāo)題：制粉方法對(duì)增材制造用Ti31鈦合金粉末的影響_蓋欣）